Τι είναι η αυτεπαγωγή, πώς μετριέται, βασικοί τύποι

Η επαγωγή είναι ένα μέτρο της ικανότητας των στοιχείων ενός ηλεκτρικού κυκλώματος να συγκεντρώνουν ενέργεια μαγνητικού πεδίου. Είναι επίσης ένα μέτρο της σχέσης μεταξύ ρεύματος και μαγνητικού πεδίου. Συγκρίνεται επίσης με την αδράνεια του ηλεκτρισμού, όπως συμβαίνει με τη μάζα ως μέτρο της αδράνειας των μηχανικών σωμάτων.

Το φαινόμενο της αυτοπαγίδευσης

Το φαινόμενο της αυτεπαγωγής εμφανίζεται όταν το ρεύμα που διαρρέει ένα αγώγιμο κύκλωμα μεταβάλλεται σε μέγεθος. Σε αυτή την περίπτωση, η μαγνητική ροή μέσω του κυκλώματος αλλάζει, και μια ΗΕΔ που ονομάζεται ΗΕΔ αυτοπαλίνδρομης επαγωγής προκύπτει στις εξόδους του πλαισίου ρεύματος. Αυτή η ΗΕΔ είναι αντίθετη προς την κατεύθυνση του ρεύματος και είναι ίση με:

ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)

Προφανώς, η ΗΕΔ αυτοπαλίνδρομης επαγωγής είναι ίση με το ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής που προκαλείται από τη μεταβολή του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα και είναι επίσης ανάλογη του ρυθμού μεταβολής του ρεύματος. Ο συντελεστής αναλογικότητας μεταξύ της ΗΕΔ της αυτοπαλίνδρομης επαγωγής και του ρυθμού μεταβολής του ρεύματος ονομάζεται αυτεπαγωγή και συμβολίζεται με L. Η τιμή αυτή είναι πάντα θετική και έχει μονάδα SI 1 Henry (1 Gn). Χρησιμοποιούνται επίσης κλασματικά κλάσματα - milligeneries και microgeneries. Μια επαγωγή 1 Henry μπορεί να ειπωθεί εάν μια αλλαγή στο ρεύμα 1 αμπέρ προκαλεί μια ΗΕΔ 1 βολτ αυτοπαλίνδρομης επαγωγής. Δεν είναι μόνο ένα κύκλωμα που έχει επαγωγή, αλλά και ένας απλός αγωγός και ένα πηνίο, το οποίο μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα πλήθος κυκλωμάτων συνδεδεμένων σε σειρά.

Η ενέργεια αποθηκεύεται στην αυτεπαγωγή, η οποία μπορεί να υπολογιστεί ως εξής: W=L*I²/2, όπου:

• W - ενέργεια, J,
• L - αυτεπαγωγή, Gn,
• I είναι το ρεύμα στο πηνίο, A.

Εδώ η ενέργεια είναι ευθέως ανάλογη με την αυτεπαγωγή του πηνίου.

Σημαντικό! Στη μηχανική, η αυτεπαγωγή αναφέρεται επίσης στη διάταξη στην οποία αποθηκεύεται το ηλεκτρικό πεδίο. Το πραγματικό στοιχείο που βρίσκεται πιο κοντά σε αυτόν τον ορισμό είναι το πηνίο επαγωγής.

Ο γενικός τύπος για τον υπολογισμό της αυτεπαγωγής ενός φυσικού πηνίου είναι πολύπλοκος και για πρακτικούς υπολογισμούς άβολος. Είναι χρήσιμο να θυμόμαστε ότι η αυτεπαγωγή είναι ανάλογη του αριθμού των στροφών, της διαμέτρου του πηνίου και εξαρτάται από το γεωμετρικό σχήμα. Η αυτεπαγωγή επηρεάζεται επίσης από τη μαγνητική διαπερατότητα του πυρήνα στον οποίο τοποθετείται το πηνίο, αλλά δεν επηρεάζεται από το ρεύμα που διαρρέει τα πηνία. Για τον υπολογισμό της αυτεπαγωγής, πρέπει να συμβουλεύεστε κάθε φορά τους τύπους που δίνονται για τον συγκεκριμένο σχεδιασμό. Για παράδειγμα, για ένα κυλινδρικό πηνίο η βασική χαρακτηριστική του υπολογίζεται σύμφωνα με τον τύπο:

L=μ*μ*(N²*S/l),

όπου:

• μ είναι η σχετική μαγνητική διαπερατότητα του πυρήνα του πηνίου,
• μ - είναι η μαγνητική σταθερά, 1,26*10-6 Gn/m,
• N - αριθμός στροφών,
• S - επιφάνεια του πηνίου
• l - γεωμετρικό μήκος του πηνίου.

Για τον υπολογισμό της αυτεπαγωγής για κυλινδρικά πηνία και άλλα σχήματα πηνίων, είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε αριθμομηχανές, συμπεριλαμβανομένων των διαδικτυακών αριθμομηχανών.

Σύνδεση επαγωγών σε σειρά και παράλληλα

Οι επαγωγές μπορούν να συνδεθούν σε σειρά ή παράλληλα, δημιουργώντας ένα σύνολο με νέα χαρακτηριστικά.

Παράλληλη σύνδεση

Όταν τα πηνία συνδέονται παράλληλα, οι τάσεις όλων των στοιχείων είναι ίσες και τα ρεύματα (εναλλασσόμενο) είναι αντιστρόφως ανάλογες με τις επαγωγές των στοιχείων.

• U=U₁=U₂=U₃;
• I=I₁+I₂+I₃.

Η συνολική αυτεπαγωγή ενός κυκλώματος ορίζεται ως 1/L=1/L₁+1/L₂+1/L₃. Ο τύπος ισχύει για οποιονδήποτε αριθμό στοιχείων και για δύο πηνία απλοποιείται σε L=L₁*L₂/(L₁+L₂). Είναι προφανές ότι η προκύπτουσα αυτεπαγωγή είναι μικρότερη από την αυτεπαγωγή του στοιχείου με τη χαμηλότερη

Σύνδεση σε σειρά

Με αυτόν τον τύπο σύνδεσης, το ίδιο ρεύμα διαρρέει ένα κύκλωμα που αποτελείται από πηνία και η τάση (AC!) σε κάθε στοιχείο του κυκλώματος κατανέμεται ανάλογα με την αυτεπαγωγή κάθε στοιχείου:

• U=U₁+U₂+U₃;
• I=I₁=I₂=I₃.

Η συνολική αυτεπαγωγή είναι ίση με το άθροισμα όλων των αυτεπαγωγών και θα είναι μεγαλύτερη από την αυτεπαγωγή του στοιχείου με την υψηλότερη τιμή. Επομένως, αυτή η σύνδεση χρησιμοποιείται όταν είναι απαραίτητη η αύξηση της επαγωγής.

Σημαντικό! Κατά τη σύνδεση πηνίων σε σειρά ή παράλληλα, οι τύποι υπολογισμού είναι σωστοί μόνο για τις περιπτώσεις όπου η αμοιβαία επιρροή των μαγνητικών πεδίων των στοιχείων μεταξύ τους εξαλείφεται (με θωράκιση, μεγάλες αποστάσεις κ.λπ.). Εάν υπάρχει επιρροή, τότε η συνολική τιμή της επαγωγής εξαρτάται από την αμοιβαία διάταξη των πηνίων.

Ορισμένα πρακτικά ζητήματα και σχέδια πηνίων επαγωγής

Στην πράξη χρησιμοποιούνται διάφορα σχέδια πηνίων επαγωγής. Ανάλογα με το σκοπό και την εφαρμογή, οι συσκευές μπορούν να κατασκευαστούν με διάφορους τρόπους, αλλά πρέπει να ληφθούν υπόψη οι επιδράσεις των πραγματικών πηνίων.

Συντελεστής ποιότητας ενός πηνίου επαγωγής

Ένα πραγματικό πηνίο έχει πολλές παραμέτρους εκτός από την αυτεπαγωγή, και μία από τις σημαντικότερες είναι ο συντελεστής ποιότητας. Αυτή η τιμή καθορίζει τις απώλειες στο πηνίο και εξαρτάται από:

• ωμικές απώλειες στο σύρμα περιέλιξης (όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση, τόσο μικρότερος είναι ο συντελεστής ποιότητας),
• Διηλεκτρικές απώλειες στη μόνωση του σύρματος και του πλαισίου περιέλιξης,
• απώλειες ασπίδας,
• Βασικές απώλειες.

Όλα αυτά τα μεγέθη καθορίζουν την αντίσταση απωλειών και ο συντελεστής ποιότητας είναι μια τιμή χωρίς διαστάσεις ίση με Q=ωL/R loss, όπου:

• ω = 2*π*F - κυκλική συχνότητα,
• L - αυτεπαγωγή,
• ωL - αντίδραση πηνίου.

Μπορεί να ειπωθεί χονδρικά ότι ο συντελεστής ποιότητας είναι ίσος με τον λόγο της άεργου (επαγωγικής) αντίστασης προς την ενεργό αντίσταση. Από τη μία πλευρά, ο αριθμητής αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας, αλλά ταυτόχρονα, λόγω του φαινομένου του δέρματος, η αντίσταση απωλειών αυξάνεται επίσης μειώνοντας την αποτελεσματική διατομή του σύρματος.

Επίδραση στο δέρμα

Προκειμένου να μειωθεί η επίδραση ξένων σωμάτων καθώς και ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων και η αμοιβαία επιρροή των στοιχείων μέσω αυτών των πεδίων, τα πηνία (ιδίως τα υψηλής συχνότητας) συχνά τοποθετούνται σε ασπίδα. Εκτός από το ευεργετικό της αποτέλεσμα, η θωράκιση προκαλεί μείωση της τιμής Q του πηνίου, μείωση της αυτεπαγωγής και αύξηση της παρασιτικής χωρητικότητας. Επιπλέον, όσο πιο κοντά βρίσκονται τα τοιχώματα της θωράκισης στις περιελίξεις του πηνίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η αρνητική επίδραση. Επομένως, τα θωρακισμένα πηνία σχεδιάζονται σχεδόν πάντα για να είναι ρυθμιζόμενα.

Ρυθμιζόμενη αυτεπαγωγή

Σε ορισμένες περιπτώσεις είναι απαραίτητο να ρυθμιστεί με ακρίβεια η τιμή της επαγωγής στη θέση της μετά τη σύνδεση του πηνίου με άλλα στοιχεία του κυκλώματος, αντισταθμίζοντας τις αποκλίσεις συντονισμού. Χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι γι' αυτό (με εναλλαγή των στροφών κ.λπ.), αλλά η πιο ακριβής και ομαλή μέθοδος είναι η ρύθμιση του πυρήνα. Αυτό γίνεται με τη μορφή μιας ράβδου με σπείρωμα, η οποία μπορεί να περιστρέφεται μέσα στο πλαίσιο, ρυθμίζοντας την επαγωγή του πηνίου.

Μεταβλητή αυτεπαγωγή (βαριόμετρο)

Όταν απαιτείται λειτουργική ρύθμιση της αυτεπαγωγής ή της επαγωγικής σύζευξης, χρησιμοποιούνται πηνία διαφορετικής σχεδίασης. Περιέχουν δύο τυλίγματα, ένα κινούμενο τύλιγμα και ένα σταθερό τύλιγμα. Η συνολική αυτεπαγωγή είναι ίση με το άθροισμα των αυτεπαγωγών των δύο πηνίων και της αμοιβαίας αυτεπαγωγής μεταξύ τους.

Αλλάζοντας τη σχετική θέση του ενός πηνίου σε σχέση με το άλλο, ρυθμίζεται η συνολική τιμή της αυτεπαγωγής. Μια τέτοια συσκευή ονομάζεται βαριόμετρο και χρησιμοποιείται συχνά σε εξοπλισμό επικοινωνίας για τη ρύθμιση κυκλωμάτων συντονισμού σε περιπτώσεις όπου για κάποιο λόγο δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν μεταβλητοί πυκνωτές. Το βαριόμετρο είναι αρκετά δυσκίνητο, γεγονός που περιορίζει τη χρήση του.

Βαριόμετρο με μπάλα

Επαγωγή με τη μορφή τυπωμένου πηνίου

Τα πηνία με χαμηλή αυτεπαγωγή μπορούν να κατασκευαστούν ως σπείρα τυπωμένων αγωγών. Τα πλεονεκτήματα αυτού του σχεδιασμού είναι:

• κατασκευασιμότητα,
• υψηλή επαναληψιμότητα.

Τα μειονεκτήματα είναι η αδυναμία λεπτής ρύθμισης κατά τη διάρκεια της ρύθμισης και η δυσκολία επίτευξης υψηλών αυτεπαγωγών - όσο υψηλότερη είναι η αυτεπαγωγή, τόσο περισσότερο χώρο καταλαμβάνει το πηνίο στην πλακέτα.

Πηνίο με τμηματική περιέλιξη

Επαγωγή χωρίς χωρητικότητα υπάρχει μόνο στο χαρτί. Με οποιαδήποτε φυσική υλοποίηση ενός πηνίου, υπάρχει αμέσως μια παρασιτική χωρητικότητα μεταξύ των πηνίων. Αυτό είναι ένα επιζήμιο φαινόμενο σε πολλές περιπτώσεις. Η αδέσποτη χωρητικότητα προστίθεται στη χωρητικότητα του κυκλώματος LC, μειώνοντας τη συχνότητα συντονισμού και τον συντελεστή ποιότητας του συστήματος ταλάντωσης. Το πηνίο έχει επίσης τη δική του συχνότητα συντονισμού που προκαλεί ανεπιθύμητα φαινόμενα.

Για τη μείωση της αδέσποτης χωρητικότητας χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι, η απλούστερη από τις οποίες είναι η περιέλιξη του πηνίου σε διάφορα τμήματα συνδεδεμένα σε σειρά. Με αυτόν τον τύπο σύνδεσης, οι αυτεπαγωγές αθροίζονται και η συνολική χωρητικότητα μειώνεται.

Πηνίο επαγωγής σε τοροειδή πυρήνα

Γραμμές μαγνητικού πεδίου κυλινδρικού πηνίου

Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου ενός κυλινδρικού πηνίου επαγωγής διέρχονται από το εσωτερικό του πηνίου (εάν υπάρχει πυρήνας, τότε από αυτόν) και βραχυκυκλώνονται προς τα έξω μέσω του αέρα. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται διάφορα μειονεκτήματα

• η αυτεπαγωγή μειώνεται,
• τα χαρακτηριστικά του πηνίου είναι λιγότερο υπολογίσιμα,
• Κάθε αντικείμενο που εισάγεται στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο μεταβάλλει τις παραμέτρους του πηνίου (αυτεπαγωγή, αδέσποτη χωρητικότητα, απώλειες κ.λπ.), οπότε σε πολλές περιπτώσεις απαιτείται θωράκιση.

Τα πηνία που τυλίγονται σε τοροειδείς πυρήνες (με τη μορφή δακτυλίου ή "κουλούρας") είναι σε μεγάλο βαθμό απαλλαγμένα από αυτά τα μειονεκτήματα. Οι μαγνητικές γραμμές διατρέχουν το εσωτερικό του πυρήνα με τη μορφή κλειστών βρόχων. Αυτό σημαίνει ότι τα εξωτερικά αντικείμενα δεν έχουν πρακτικά καμία επίδραση στις παραμέτρους ενός πηνίου που τυλίγεται σε έναν τέτοιο πυρήνα και η θωράκιση δεν είναι απαραίτητη για έναν τέτοιο σχεδιασμό. Η αυτεπαγωγή είναι επίσης αυξημένη, με τα υπόλοιπα πράγματα να παραμένουν ίδια, και τα χαρακτηριστικά είναι ευκολότερο να υπολογιστούν.

Γραμμές μαγνητικού πεδίου ενός τοροειδούς πηνίου

Ένα από τα μειονεκτήματα των τοροειδών πηνίων είναι ότι είναι αδύνατη η ομαλή ρύθμιση της επαγωγής τους επί τόπου. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η υψηλή ένταση εργασίας και η χαμηλή τεχνολογία της περιέλιξης. Αυτό, ωστόσο, ισχύει γενικά για όλα τα επαγωγικά στοιχεία, σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό.

Επίσης, ένα κοινό μειονέκτημα της φυσικής εφαρμογής της επαγωγής είναι οι μεγάλες διαστάσεις μάζας, η σχετικά χαμηλή αξιοπιστία και η χαμηλή δυνατότητα συντήρησης.

Ως εκ τούτου, στην τεχνολογία, τα επαγωγικά εξαρτήματα προσπαθούν να καταργηθούν. Αυτό όμως δεν είναι πάντα εφικτό, οπότε τα εξαρτήματα περιέλιξης θα χρησιμοποιούνται τόσο στο άμεσο μέλλον όσο και μεσοπρόθεσμα.

Τι είναι το επαγωγικό ΗΜΠ και πότε εμφανίζεται;

Τι είναι η ηλεκτρική χωρητικότητα, πώς μετριέται και από τι εξαρτάται;

Ποιος είναι ο λόγος μετασχηματισμού ενός μετασχηματιστή;

Τι είναι η διαπερατότητα

Εύρεση της χωρητικότητας πυκνωτών σε σειρά ή παράλληλα - τύπος

Ποια είναι η ενεργός και η άεργος ισχύς του εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ρεύματος;